CN116496767A - 一种润湿剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种润湿剂及其制备方法和应用。润湿剂包含以下组分或包含以下组分的反应产物：烷基二甲基羧酸甜菜碱、3‑磺丙基烷基二甲基甜菜碱、二辛基磺化琥珀酸盐和水；其中，以100重量份的水为基准，烷基二甲基羧酸甜菜碱为15‑30重量份，3‑磺丙基烷基二甲基甜菜碱为5‑20重量份，二辛基磺化琥珀酸盐为15‑30重量份。本发明的润湿剂不仅在高温下具有良好的固相润湿效果，而且跟阴离子、阳离子或非离子型油基乳化剂均具有良好的配伍性，有效保障了深井超深井复杂地层油基钻井液的施工安全。
Description
技术领域
本发明涉及石油勘探开发领域，尤其涉及一种润湿剂及其制备方法和应用。
背景技术
润湿剂是高密度油基钻井液的重要组分，其具有亲油亲水两亲结构。在油基钻井液中，润湿剂的亲水端通过化学键力、电荷吸附等综合作用吸附于钻屑、加重材料等固相表面，另一亲油端伸展于油基钻井液的连续油相中，使得亲水固相实现表面润湿性由亲水向亲油的转变。固相表面转为亲油后，其悬浮性和分散性大幅提高，从而使高密度油基钻井液获得良好的悬浮稳定与流变性能，对于安全、高效钻井施工具有重要的意义。
目前油基润湿剂主要为非离子型或阳离子型表面活性剂，其HLB值一般在7-9。中国发明专利CN104388062A公开了一种抗高温油基钻井液用乳化润湿剂，其由脂肪酸、N,N-双(2-羟乙基)乙二胺、烷基酚聚氧乙烯醚和白油制得，属于一种非离子型润湿剂。中国发明专利CN103194187A公开了一种高密度油基润湿剂，其由斯盘80和吐温80按一定配比组成，为一种非离子型润湿剂。中国发明专利CN113122191A公开了一种pH响应型润湿剂，其由氯代十二烷、氯代十四烷、二甲胺等组成，属于一种阳离子润湿剂。《西南石油学院学报》2002年24卷第5期介绍了一种新型的阳离子油基润湿剂XNWET，抗温可达220℃。《长江大学学报(自然科学版)》2020年17卷第6期介绍了一种非离子型油基润湿剂LRS-1，对于高密度油基钻井液具有良好润湿效果。
非离子型润湿剂主要通过羟基、胺基或氧乙烯基团作用于固相表面，实现固相润湿转变。然而在高温下非离子型润湿剂吸附基团易脱附，抗温低于150℃。阳离子型油基润湿剂通过电荷吸附，在固相表面吸附能力强，具有良好的抗温性与表面润湿反转效果，但阳离子型润湿剂与阴离子型乳化剂配伍使用时，易与乳化剂形成极性键交联结构，使得钻井液乳化稳定性遭到破坏，难以满足钻井施工要求。因此，目前市场上的油基润湿剂的抗温性与配伍性的技术不足严重制约了高密度油基钻井液在高温高压地层的应用。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种新的润湿剂，该润湿剂不仅在高温下具有良好的固相润湿效果，而且跟阴离子、阳离子或非离子型油基乳化剂均具有良好的配伍性，有效保障了深井超深井复杂地层油基钻井液的施工安全。
本发明第一方面提供了一种润湿剂，其包含以下组分或包含以下组分的反应产物：烷基二甲基羧酸甜菜碱、3-磺丙基烷基二甲基甜菜碱、二辛基磺化琥珀酸盐和水；其中，以100重量份的水为基准，烷基二甲基羧酸甜菜碱为15-30重量份，3-磺丙基烷基二甲基甜菜碱为5-20重量份，二辛基磺化琥珀酸盐为15-30重量份。
根据本发明所述的润湿剂的一些实施方式，优选地，所述烷基二甲基羧酸甜菜碱具有式I所示的结构式，
其中，R1为C1-C30的烷基，优选为C4-C24的烷基。
根据本发明所述的润湿剂的一些实施方式，优选地，所述烷基二甲基羧酸甜菜碱选自丁基二甲基羧酸甜菜碱、辛烷基二甲基羧酸甜菜碱、癸烷基二甲基羧酸甜菜碱、十二烷基二甲基羧酸甜菜碱、十八烷基二甲基羧酸甜菜碱和二十四烷基二甲基羧酸甜菜碱中的至少一种。
根据本发明所述的润湿剂的一些实施方式，优选地，以100重量份的水为基准，烷基二甲基羧酸甜菜碱为20-30重量份。
根据本发明所述的润湿剂的一些实施方式，优选地，烷基二甲基羧酸甜菜碱与3-磺丙基烷基二甲基甜菜碱的重量比为1-3:1。在该比例下，具有较佳的效果。
根据本发明所述的润湿剂的一些实施方式，优选地，所述3-磺丙基烷基二甲基甜菜碱具有式II所示的结构式，
其中，R1为C4-C30的烷基，R2为-H或-OH。
根据本发明所述的润湿剂的一些实施方式，优选地，所述3-磺丙基烷基二甲基甜菜碱选自3-磺丙基丁基二甲基甜菜碱、3-磺丙基三十烷基二甲基甜菜碱、3-磺丙基十六烷基二甲基甜菜碱、3-磺丙基十二烷基二甲基甜菜碱、3-磺丙基十八烷基二甲基甜菜碱、3-磺丙基二十烷基二甲基甜菜碱和3-磺丙基二十四烷基二甲基甜菜碱中的至少一种。
根据本发明所述的润湿剂的一些实施方式，优选地，以100重量份的水为基准，3-磺丙基烷基二甲基甜菜碱为7-15重量份。
根据本发明所述的润湿剂的一些实施方式，优选地，所述二辛基磺化琥珀酸盐选自二辛基磺化琥珀酸锂、二辛基磺化琥珀酸钠、二辛基磺化琥珀酸钾、二辛基磺化琥珀酸钙和二辛基磺化琥珀酸铵中的至少一种。
根据本发明所述的润湿剂的一些实施方式，优选地，所述水选自蒸馏水、自来水、井水、湖水和海水中的至少一种。
本发明第二方面提供了上述的润湿剂的制备方法，包括：将烷基二甲基羧酸甜菜碱、3-磺丙基烷基二甲基甜菜碱、二辛基磺化琥珀酸盐和水进行混合，其中，以100重量份的水为基准，烷基二甲基羧酸甜菜碱为15-30重量份，3-磺丙基烷基二甲基甜菜碱为5-20重量份，二辛基磺化琥珀酸盐为15-30重量份。
根据本发明所述的润湿剂的一些实施方式，优选地，所述制备方法包括：将水与烷基二甲基羧酸甜菜碱进行第一混合，然后与3-磺丙基烷基二甲基甜菜碱进行第二混合，再与二辛基磺化琥珀酸盐进行第三混合。
根据本发明所述的润湿剂的一些实施方式，优选地，所述第一混合、第二混合和第三混合的温度各自独立地为20-90℃。
根据本发明所述的润湿剂的一些实施方式，优选地，所述第一混合、第二混合和第三混合的时间各自独立地为1-3小时。
本发明第三方面提供了上述的润湿剂或上述制备方法在钻井液体系中的应用，优选为在油基钻井液中的应用。
本发明的有益效果：
(1)本发明的(甜菜碱型油基)润湿剂，出抗温可达220℃、配伍性能良好的油基润湿剂，该润湿剂在柴油基、矿物油基和合成基钻井液中实现加重材料和钻屑的高效润湿，保障高密度油基钻井液具有良好的流变性能。
(2)本发明的(甜菜碱型油基)润湿剂通过两性离子吸附与钻屑表面，具有吸附能力强，高温220℃稳定的突出特征，克服了非离子润湿剂抗温能力弱、阳离子润湿剂配伍性弱的不足。
(3)本发明通过简单的反应工艺即可制备成品，所用原材料均具有环境友好特征，符合绿色环保的价值理念。
(4)本发明的润湿剂可应用于柴油、白油、合成基油及其混合物作为基础油的油基钻井液体系，配伍效果出众。
具体实施方式
为使本发明更加容易理解，下面将结合实施例来详细说明本发明，这些实施例仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。
本发明的测试方法以及测试中所用设备如下：
(1)丁基二甲基羧酸甜菜碱、三十烷基二甲基羧酸甜菜碱、十二烷基二甲基羧酸甜菜碱、十八烷基二甲基羧酸甜菜碱、二十四烷基二甲基羧酸甜菜碱，均商购自由绍兴上虞斯莫有机化学研究所。
(2)3-磺丙基丁基二甲基甜菜碱、3-磺丙基三十烷基二甲基甜菜碱、3-磺丙基十六烷基二甲基甜菜碱、3-磺丙基十二烷基二甲基甜菜碱、3-磺丙基十八烷基二甲基甜菜碱，均商购自阿伯丁，化学纯产品。
(3)二辛基磺化琥珀酸锂、二辛基磺化琥珀酸钠、二辛基磺化琥珀酸钾、二辛基磺化琥珀酸钙、二辛基磺化琥珀酸铵，均商购自Sigma-Aldrich。
(4)自来水和湖水取自北京地区，海水取自山东东营渤海。
【实施例1】
将100重量份蒸馏水与30重量份丁基二甲基羧酸甜菜碱混合加热至20℃，搅拌1小时溶解，再加入20重量份3-磺丙基丁基二甲基甜菜碱在25℃下搅拌1小时，再加入15重量份二辛基磺化琥珀酸钠，同温度下搅拌反应1小时，冷却至室温即可制得甜菜碱型润湿剂1。
【实施例2】
将100重量份自来水与15重量份三十烷基二甲基羧酸甜菜碱混合加热至90℃，搅拌3小时溶解，再加入5重量份3-磺丙基三十烷基二甲基甜菜碱在90℃下搅拌3小时，再加入15重量份二辛基磺化琥珀酸铵，同温度下搅拌反应3小时，冷却至室温即可制得甜菜碱型润湿剂2。
【实施例3】
将100重量份海水与25重量份十二烷基二甲基羧酸甜菜碱混合加热至60℃，搅拌2小时溶解，再加入15重量份3-磺丙基十六烷基二甲基甜菜碱在75℃下搅拌2小时，再加入15重量份二辛基磺化琥珀酸钙，同温度下搅拌反应2小时，冷却至室温即可制得甜菜碱型润湿剂3。
【实施例4】
将100重量份湖水与20重量份十八烷基二甲基羧酸甜菜碱混合加热至80℃，搅拌2.5小时溶解，再加入10重量份3-磺丙基十二烷基二甲基甜菜碱在60℃下搅拌2小时，再加入25重量份二辛基磺化琥珀酸钾，同温度下搅拌反应1.5小时，冷却至室温即可制得甜菜碱型润湿剂4。
【实施例5】
将50重量份湖水、50重量份海水与18重量份二十四烷基二甲基羧酸甜菜碱混合加热至80℃，搅拌2小时溶解，再加入8重量份3-磺丙基十八烷基二甲基甜菜碱在80℃下搅拌2小时，再加入20重量份二辛基磺化琥珀酸锂，同温度下搅拌反应3小时，冷却至室温即可制得甜菜碱型润湿剂5。
【对比例1】
润湿剂为按照专利CN103194187A的实施例1，配制的非离子润湿剂，本对比例使用主要材料斯盘80和吐温80为北京试剂公司生产的化学纯药品。
【对比例2】
阳离子润湿剂MOWET，由湖北汉科新技术股份有限公司生产。
【测试例】
为了有效评价本发明甜菜碱型润湿剂的效果，收集了柴油基钻井液(取自涪陵页岩气田)、白油基钻井液(威荣页岩气田)、精炼矿物油合成基钻井液(胜利油田)，对其初始流变性能进行了测定。然后分别加入体积重量比为1％的实施例1-5或对比例1-2的不同润湿剂，100～220℃高温老化16h后测定流变性能的变化。流变性能测试均按照参照GB/T16782-1997测定。测试结果见表1-3。表中，ES为油基钻井液破乳电压，其值高低直接代表了乳化稳定性的优劣(业内通常要求ES≥400V)；PV代表塑性粘度指标；YP代表屈服值；Gel代表结构力；Φ6/Φ3代表六速旋转粘度计6转和3转的读值。
表1.不同润湿剂对柴油基钻井液体系影响
表2.不同润湿剂对白油基钻井液体系影响
表3.不同润湿剂对合成基钻井液体系影响
表1至表3实验数据表明，本发明实施例1-5制备的润湿剂1至润湿剂5在1％加量下，可显著降低柴油基、白油基和合成基油基钻井液的塑性粘度与Φ6/Φ3的读数，同时可以提升破乳电压值，上述两方面均优于对比例1和对比例2的效果，表明其可以更好地实现对油基钻井液中固相的润湿、降低固相间内摩擦，提升乳化稳定性，实现油基钻井液性能的整体提升。
以上所述的仅是本发明的优选实例。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，作为本领域的公知常识，还可以做出其它等同变型和改进，也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种润湿剂，其包含以下组分或包含以下组分的反应产物：烷基二甲基羧酸甜菜碱、3-磺丙基烷基二甲基甜菜碱、二辛基磺化琥珀酸盐和水；其中，
以100重量份的水为基准，烷基二甲基羧酸甜菜碱为15-30重量份，3-磺丙基烷基二甲基甜菜碱为5-20重量份，二辛基磺化琥珀酸盐为15-30重量份。
2.根据权利要求1所述的润湿剂，其特征在于，所述烷基二甲基羧酸甜菜碱具有式I所示的结构式，
其中，R1为C1-C30的烷基，优选为C4-C24的烷基；
优选地，所述烷基二甲基羧酸甜菜碱选自丁基二甲基羧酸甜菜碱、辛烷基二甲基羧酸甜菜碱、癸烷基二甲基羧酸甜菜碱、十二烷基二甲基羧酸甜菜碱、十八烷基二甲基羧酸甜菜碱和二十四烷基二甲基羧酸甜菜碱中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的润湿剂，其特征在于，以100重量份的水为基准，烷基二甲基羧酸甜菜碱为20-30重量份；
优选地，烷基二甲基羧酸甜菜碱与3-磺丙基烷基二甲基甜菜碱的重量比为1-3:1。
4.根据权利要求1所述的润湿剂，其特征在于，所述3-磺丙基烷基二甲基甜菜碱具有式II所示的结构式，
其中，R1为C4-C30的烷基，R2为-H或-OH；
优选地，所述3-磺丙基烷基二甲基甜菜碱选自3-磺丙基丁基二甲基甜菜碱、3-磺丙基三十烷基二甲基甜菜碱、3-磺丙基十六烷基二甲基甜菜碱、3-磺丙基十二烷基二甲基甜菜碱、3-磺丙基十八烷基二甲基甜菜碱、3-磺丙基二十烷基二甲基甜菜碱和3-磺丙基二十四烷基二甲基甜菜碱中的至少一种。
5.根据权利要求1或2所述的润湿剂，其特征在于，以100重量份的水为基准，3-磺丙基烷基二甲基甜菜碱为7-15重量份。
6.根据权利要求1所述的润湿剂，其特征在于，所述二辛基磺化琥珀酸盐选自二辛基磺化琥珀酸锂、二辛基磺化琥珀酸钠、二辛基磺化琥珀酸钾、二辛基磺化琥珀酸钙和二辛基磺化琥珀酸铵中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的润湿剂，其特征在于，所述水选自蒸馏水、自来水、井水、湖水和海水中的至少一种。
8.权利要求书1-7中任意一项所述的润湿剂的制备方法，包括：将烷基二甲基羧酸甜菜碱、3-磺丙基烷基二甲基甜菜碱、二辛基磺化琥珀酸盐和水进行混合，其中，以100重量份的水为基准，烷基二甲基羧酸甜菜碱为15-30重量份，3-磺丙基烷基二甲基甜菜碱为5-20重量份，二辛基磺化琥珀酸盐为15-30重量份。
9.根据权利要求书8所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将水与烷基二甲基羧酸甜菜碱进行第一混合，然后与3-磺丙基烷基二甲基甜菜碱进行第二混合，再与二辛基磺化琥珀酸盐进行第三混合；
优选地，所述第一混合、第二混合和第三混合的温度各自独立地为20-90℃；
优选地，所述第一混合、第二混合和第三混合的时间各自独立地为1-3小时。
10.权利要求书1-7中任意一项所述的润湿剂或权利要求书8或9所述制备方法在钻井液体系中的应用，优选为在油基钻井液中的应用。
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